STEAM教育與傳統(tǒng)文化在物理教學(xué)中的結(jié)合

林馨郁 符宇萌 王汐檸 葉晴瑩 溫永銀

摘? ?要：發(fā)展STEAM課程是當(dāng)前時(shí)代背景下的重點(diǎn)方向之一。將STEAM理念中的6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式與傳統(tǒng)文化在初中物理教學(xué)中相結(jié)合并形成范式，并以傳統(tǒng)文化中的“走馬燈”為例，結(jié)合案例作為教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了展示，有效促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)文化;STEAM教育;6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式;走馬燈

1? STEAM教育與傳統(tǒng)文化結(jié)合的背景

在全球化、信息化這個(gè)宏觀背景下，隨著時(shí)代的進(jìn)步，科技的繁榮創(chuàng)新，各個(gè)國家都在開始思考，究竟什么樣的教育能夠培養(yǎng)出未來在各領(lǐng)域都有所建樹的高端人才？我國作為擁有五千年歷史文明的古國，古代器物中蘊(yùn)涵著豐富的科技成就，其中很多可以作為優(yōu)秀的課程資源來加以利用和開發(fā)。我們不僅要了解中國的歷史文化，還要睜眼看世界，了解世界上不同民族的歷史文化，去其糟粕，取其精華，從中獲得啟發(fā)，為我所用[ 1 ]。STEAM教育起源于美國，指的是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）、數(shù)學(xué)（Mathematics）相融合的教育。它不僅僅提倡學(xué)習(xí)這五門學(xué)科，更提倡的是一種新的教學(xué)方式。強(qiáng)調(diào)在綜合項(xiàng)目中，學(xué)生可以通過實(shí)踐和獨(dú)立思考來設(shè)計(jì)作品或解決問題，從而提高學(xué)生的動(dòng)手能力和思維素養(yǎng)。如若在實(shí)際教學(xué)時(shí)，將傳統(tǒng)文化中的一些科技產(chǎn)物作為STEAM設(shè)計(jì)性學(xué)習(xí)模式中需要探究構(gòu)思的項(xiàng)目，如竹蜻蜓、公道杯、欹器、走馬燈等等，并融入STEAM教育中的6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式，用中國古人的智慧帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行物理探究，不僅能潛移默化的進(jìn)行知識的傳授，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且還能增強(qiáng)學(xué)生未來在國際上的核心競爭力，提高學(xué)生的文化自信，可謂是一舉多得。

2? 6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式與傳統(tǒng)文化形成的范式

6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式是美國國際技術(shù)與工程教育學(xué)會于2014年提出的落實(shí)STEM教育的活動(dòng)模式，包括六個(gè)環(huán)節(jié)：參與、探索、解釋、工程、深化、評價(jià)[ 2-3 ]。六個(gè)環(huán)節(jié)與中國古代先賢設(shè)計(jì)的器物結(jié)合范式如下：

（1）參與（Engage）環(huán)節(jié)：教師通過展示中華文化中的民族智慧的結(jié)晶產(chǎn)物并告知學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)，通過提問使學(xué)生回憶起解決本節(jié)課的任務(wù)所需的前概念，建立起知識的連接。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，吸引學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)中。

（2）探索（Explore）環(huán)節(jié)：介紹古代科技產(chǎn)物的建模過程，學(xué)生以小組合作的形式直接參與科技產(chǎn)物的構(gòu)建，構(gòu)建的基本原則是可行、材料易獲取、環(huán)保等。整個(gè)過程中，教師應(yīng)給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，使學(xué)生在自我構(gòu)建出古代器物的同時(shí)，提高課堂的效率。

（3）解釋（Explain）環(huán)節(jié)：學(xué)生通過參與環(huán)節(jié)中有關(guān)知識的回顧，能夠運(yùn)用知識去解釋探究過程及探究得出的產(chǎn)物。以此反思并細(xì)化所學(xué)知識，學(xué)會學(xué)以致用，將所學(xué)過的知識與具體的古代器物更好地聯(lián)系起來。

（4）工程（Engineer）環(huán)節(jié)：教師提供給學(xué)生器物制作所需要的相關(guān)資源，確保每一個(gè)學(xué)生都能參與到項(xiàng)目的制作中。學(xué)生在探究過程中學(xué)習(xí)，對制作出來的古代器物進(jìn)行不斷的測試。并能夠提出系統(tǒng)的改良設(shè)計(jì)方案。

（5）深化（Enrich）環(huán)節(jié)：教師通過向?qū)W生引入新的更多維的制作活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用到更廣泛的工程設(shè)計(jì)中，使教學(xué)源于傳統(tǒng)文化，又不限于古代的思想，而是結(jié)合現(xiàn)代大膽創(chuàng)新，以此促進(jìn)學(xué)生對知識的深度理解。

（6）評價(jià)（Evaluate）環(huán)節(jié)：教師利用過程性評價(jià)及總結(jié)性評價(jià)對學(xué)生制成的產(chǎn)品以及整個(gè)探究學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)的目的是促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解自己的不足，及時(shí)調(diào)整，以便更好的學(xué)以致用。

6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式將“科學(xué)探究”思維和“工程設(shè)計(jì)”實(shí)踐相結(jié)合，讓學(xué)生在真實(shí)情景中運(yùn)用跨學(xué)科知識解決實(shí)際問題或挑戰(zhàn)性任務(wù)，是落實(shí)STEAM教育的有效課堂設(shè)計(jì)模式[ 4 ]。

3? 基于6E模式與傳統(tǒng)文化相結(jié)合的初中物理課堂可行性分析

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》提出從生活走向物理，從物理走向社會這一基本理念。旨在讓學(xué)生體會到生活中處處是物理，而物理又時(shí)時(shí)聯(lián)系著生活，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理知識分析、解決生活中的實(shí)際物理問題的能力。而中國古代先輩發(fā)明的走馬燈，是燈籠的一種，歷經(jīng)兩千年而不衰，以探究走馬燈的原理為出發(fā)點(diǎn)，讓學(xué)生回顧初中各章所學(xué)的知識，并將知識用于解釋生活中的走馬燈，輔以傳統(tǒng)的人文涵養(yǎng)熏陶，讓學(xué)生能切實(shí)體會到中華文化的內(nèi)涵。

新課標(biāo)同時(shí)指出：“科學(xué)探究既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，又是重要的教學(xué)方式”。新課程標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)探究式教學(xué)模式，旨在擺脫以教師為中心、以課程內(nèi)容為目的的傳統(tǒng)教學(xué)模式，注重學(xué)生智力的開發(fā)，注重學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，形成以學(xué)生為中心、科學(xué)素養(yǎng)為目標(biāo)的體驗(yàn)式實(shí)踐教學(xué)新模式[ 5 ]。這與STEAM教育理念中的6E模式不謀而合，可見在初中物理教學(xué)中融入6E模式和傳統(tǒng)文化是完全可行的。

4? 基于6E模式的傳統(tǒng)文化教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)活動(dòng)需達(dá)成的目標(biāo)（見表1）

具體教學(xué)環(huán)節(jié)如下：

環(huán)節(jié)1：參與

【教師活動(dòng)】

（1）情景創(chuàng)設(shè)：介紹走馬燈歷史：興于秦漢，成熟于唐宋，由皇家漸漸流入民間，此后作為節(jié)令玩具在民間廣為流傳，燈內(nèi)物換景移，畫影流轉(zhuǎn)，故喚作“走馬燈”。并展現(xiàn)各式各樣的走馬燈圖片，讓學(xué)生感受到傳統(tǒng)文化之美，如圖1所示。

（2）提出問題：回憶之前所學(xué)過的知識，思考走馬燈的原理是什么？從走馬燈身上你能看到什么現(xiàn)象？

（3）明確任務(wù)：提出制作出一個(gè)簡易走馬燈的活動(dòng)任務(wù)。

【學(xué)生活動(dòng)】

（1）參與課堂，觀看照片，感受走馬燈之美。

（2）分成若干小組，合作復(fù)習(xí)舊知識，為接下來的環(huán)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)備。

【設(shè)計(jì)意圖】

通過走馬燈來源歷史的介紹，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心，培養(yǎng)學(xué)生文化自信，通過提問確定制作走馬燈這一目標(biāo)。

環(huán)節(jié)2：探索

【教師活動(dòng)】

（1）介紹走馬燈模型，引導(dǎo)學(xué)生拆分走馬燈，分析走馬燈構(gòu)成，如圖2所示。

（2）鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行簡易的方案設(shè)計(jì)。

（3）在學(xué)生天馬行空的構(gòu)想中，教師需要給學(xué)生一定程度的指導(dǎo)，確保任務(wù)可行易操作。

【學(xué)生活動(dòng)】

（1）對走馬燈模型進(jìn)行拆解，分析各部分的功能和作用。

葉輪：轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械

火焰籠：外觀造型

支架：支撐

輪軸：使葉片轉(zhuǎn)動(dòng)

蠟燭：提供熱量

吊飾：裝飾

（2）在可行、環(huán)保、易獲取原則的指導(dǎo)下，學(xué)生對走馬燈進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）利用作圖軟件將小組設(shè)計(jì)的走馬燈進(jìn)行呈現(xiàn)，并在一旁注明自己對走馬燈外觀的設(shè)想，包括大小，形狀，外觀造型，所用材料等等。

【設(shè)計(jì)意圖】

學(xué)生在明確目標(biāo)之后，通過小組討論，自我探究等模式來設(shè)計(jì)走馬燈方案。同時(shí)讓學(xué)生自我設(shè)計(jì)走馬燈外觀，在感受傳統(tǒng)文化之美的基礎(chǔ)上提出自己視角中走馬燈的美，近一步提高學(xué)生自我探究的興趣，培養(yǎng)自信心。

環(huán)節(jié)3：解釋

【教師活動(dòng)】

（1）教師組織各個(gè)小組上臺分享自己的設(shè)計(jì)思路和方案，以及涉及到的學(xué)科知識，鼓勵(lì)學(xué)生大膽地將學(xué)過的知識解釋走馬燈的原理，并在原理解釋的基礎(chǔ)上對走馬燈進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展：走馬燈上還有什么規(guī)律和現(xiàn)象？

（2）通過學(xué)生前概念與實(shí)際案例的結(jié)合，了解到學(xué)生對原理掌握的情況與不足，并培養(yǎng)學(xué)生用理論知識解釋實(shí)際問題的能力。

【學(xué)生活動(dòng)】

（1）學(xué)生展示對于走馬燈的構(gòu)想，并通過所學(xué)知識進(jìn)行解釋：當(dāng)走馬燈內(nèi)的蠟燭被點(diǎn)燃，周圍的空氣分子運(yùn)動(dòng)會更加劇烈（分子的熱運(yùn)動(dòng)），空氣分子會膨脹，繼而向上運(yùn)動(dòng)（密度），吹動(dòng)走馬燈葉片，使走馬燈旋轉(zhuǎn)（內(nèi)能做功）。

（2）走馬燈旋轉(zhuǎn)起來時(shí)，燈內(nèi)的吊飾會投影到墻壁上放大（光沿直線傳播），當(dāng)走馬燈旋轉(zhuǎn)速度增加，火焰籠上的圖案運(yùn)動(dòng)了起來（視覺殘留效應(yīng)）。

（3）各小組進(jìn)行方案比較，相互完善，彼此探討。

【設(shè)計(jì)意圖】

學(xué)生通過闡述自己對于走馬燈的設(shè)計(jì)構(gòu)想和走馬燈中涉及的各種知識，充分暴露自己的認(rèn)知水平，教師可以根據(jù)學(xué)生的回答針對性的進(jìn)行因材施教。

環(huán)節(jié)4：工程

【教師活動(dòng)】

（1）在學(xué)生設(shè)計(jì)的各種方案中，選擇一個(gè)操作簡單，可行性高，環(huán)保的項(xiàng)目進(jìn)行動(dòng)手操作（紙杯走馬燈，如圖3所示）。

（2）提供材料：一次性紙杯、蠟燭、水彩筆、鐵絲、美工刀、打火機(jī)。

（3）學(xué)生制作時(shí)，教師進(jìn)行巡視，給予指導(dǎo)和建議，并確保實(shí)驗(yàn)安全。

【學(xué)生活動(dòng)】

（1）運(yùn)用在上一個(gè)環(huán)節(jié)中總結(jié)的理論進(jìn)行制作，將設(shè)計(jì)的各種走馬燈模型轉(zhuǎn)換為實(shí)際的紙杯模型。

（2）將制作好的紙杯走馬燈進(jìn)行性能測試，分析失敗的原因：沒有找到上紙杯的重心、葉片數(shù)量沒把握好等等。

（3）根據(jù)測試結(jié)果，檢測調(diào)試、迭代優(yōu)化。

（4）將紙杯型走馬燈調(diào)試過后的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用（鐵絲長度、上紙杯的高度、葉片數(shù)量等）創(chuàng)作出科學(xué)可行易成功的走馬燈，如圖4所示。

【設(shè)計(jì)意圖】

讓學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行操作，將學(xué)過的理論知識應(yīng)用于實(shí)際，培養(yǎng)實(shí)際操作能力，在工程的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對物理知識和數(shù)學(xué)知識的理解。

環(huán)節(jié)5：深化

【教師活動(dòng)】

（1）在掌握了紙杯型走馬燈原理的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生將自我設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行可行性改進(jìn)。

（2）引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自我的方案創(chuàng)作出新的走馬燈，讓學(xué)生在新產(chǎn)品中將技能和知識進(jìn)行遷移。

【學(xué)生活動(dòng)】

（1）小組成員對方案進(jìn)行改進(jìn)和升級，每組成員在力所能及的基礎(chǔ)上購買新型走馬燈的材料。

（2）充分交流和討論，再次體會工程設(shè)計(jì)的過程，制作新型走馬燈，如圖5所示。

【設(shè)計(jì)意圖】

在本環(huán)節(jié)，教師通過提升任務(wù)的難度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識的延伸與擴(kuò)展，并啟發(fā)學(xué)生制作多種類型的走馬燈，開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新型思維。

環(huán)節(jié)6：評價(jià)

【教師活動(dòng)】

（1）針對不同環(huán)節(jié)，采用形成性評價(jià)：

參與：是否積極的參與課堂。

探索：設(shè)計(jì)方案是否滿足可行、環(huán)保、易獲取等原則，呈現(xiàn)的圖像是否契合實(shí)際。

解釋：解釋時(shí)是否能提出走馬燈中蘊(yùn)涵的知識。

工程：是否能構(gòu)建出走馬燈模型，是否美觀。

深化：是否在紙杯型走馬燈基礎(chǔ)上做出更多走馬燈模型，是否能將走馬燈根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行升級。

（2）總結(jié)性評價(jià)：對產(chǎn)品進(jìn)行評價(jià)。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)：創(chuàng)新、美觀、可重復(fù)、環(huán)保等。

【學(xué)生活動(dòng)】

（1）組內(nèi)互評：對小組成員的參與度、貢獻(xiàn)度進(jìn)行匿名評價(jià)。

（2）組間互評：小組間互相觀摩彼此的最終產(chǎn)品，對產(chǎn)品進(jìn)行評價(jià)。

（3）自我評價(jià)：對自我是否進(jìn)步，是否收獲了更多知識與技能進(jìn)行評價(jià)。

【設(shè)計(jì)意圖】

以評價(jià)促發(fā)展，以評價(jià)促進(jìn)步，通過評價(jià)進(jìn)行交流反思，讓學(xué)生了解自己的不足，及時(shí)改正，促進(jìn)知識與技能的提升。

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